高层建筑基础的优化设计分析
关键词：岩溶, 复合地基,筏板基础,基础优化
一、工程总概况
某住宅小区是由8 栋住宅楼组合而成，塔楼部分拟建地上33 层，地下2 层，裙楼部分地下2 层，地上无建筑，为带局部转换的剪力墙结构，如图1 所示。本文先从先行施工的C5~C8 的部分基础介绍其优化过程。
本小区工程原设计基础形式是冲孔灌注桩，因为要考虑到地下桩端的持力层为溶洞底面之下的微风化泥岩又或者是灰岩，因此从中加大原主桩的承受力。从工程的地质报告可以看出C5、C8 栋场地地质情况呈良好状况，而C6、C7栋的地质情况则较为复杂，地下溶洞发育较为宽广，加上底板以下的土层分布有两层砂层以及局部土洞，关于地下溶岩的目前发展情况，地质报告不详，因此需要在工程桩施工中加大力度，已经完成大约130 根，在这一130根桩中大部分位于C5 和C8 塔楼的范围内。而在C6、C7 塔楼范围内桩的施工过程当中，由于地下溶岩的发育较好，在打桩过程中时常发生塌孔状况，给施工进度受到阻滞。下文根据综上所述的施工现场的情况，因而决定对C5~C8 的基础方案进行优化。
二、分析工程地质条件
根据地质的岩土勘察及超前钻探报告中可以看出，该工程的场地地质是属于冲积阶地，地面相近平坦。而在实际的场地上第四系覆盖层中包括有人工填土、冲积淤泥质土、砂层、粉质粘土及残积土，下伏白垩系和三叠系沉积岩所形成的。
而场地地下水主要为冲积区内第四系孔隙潜水以及深部基岩裂隙、岩溶水。在勘探过程中水位掩深在1.9~2.3m之间。场地内砂层、岩溶发育，地下水丰富况与江水系存在强烈的水力联系，水文地质条件较为复杂。
场地岩溶类别呈现有2 种：①第四系覆盖灰岩的浅覆盖岩溶，呈东、西条带状，形成南北走向，在东条带上有C6、C7栋建筑;②灰岩上覆泥岩及第四系盖层的埋藏型岩溶。根据前期勘探资料可以看出，后者发展的态势相对比较弱，前者的发展态势则较为强烈。岩溶成长的特征有：灰岩(浅覆盖岩溶区)岩面起伏波动剧烈，溶沟(槽)极为发育;在钻孔时遇到岩溶洞隙率达到75%;溶洞的竖向分叉而形成的多层洞穴甚至会涌动出4、5 层的洞穴，因为受到构造的控制，发生主导方向为南北向并相互联通，而在平面上又形成网状岩溶以及裂隙管道。岩溶洞穴顶板厚度不足3m 的达68.4%，这一数据说明溶洞顶板过薄是其发良不同层面的特征;洞穴充填率77.8%，但这一充填率是流塑状粉质粘土且不稳定，造成工程上难以取用，再加上地下丰富与江水系存在强烈的水力联系，所以溶洞受其江水的水位变化影响着。
三、实施基础优化方案
根据场地范围内的溶洞发展状况来看，综上所述进行考虑上部结构的承载情况和施工现场进度来分析，对C5~C8 基础建设进行优化，因此综合上述情况可以采用以下3 种打桩基础建设：
㈠采用冲孔灌注桩基础
以上已分析过，C5 及C8 塔楼范围内地下溶洞发育不良，而且从施工进度已反映出C8 塔楼冲孔桩已基本上完成，加上C5 塔楼的冲孔桩也已完成约30 根，从这一基础上证明了冲孔桩在C5 及C8两塔楼范围已实践了此操作是可行的，因此本次基础修改方案中的C5、C8 塔楼范围的工程桩是按原设计桩基础去操作的。
㈡采用筏板基础和复合地基
从勘探的报告显示C6、C7 塔楼范围由于岩溶发育较好，造成桩基施工强度加大，故而设计方案改为由筏板基础+复合地基基础。筏板总长约64m、宽约40m。由于C5 与C6、C7 与C8 交接部位的建筑位置空隙限制，只能出挑约100mm。可这出挑长度不够造成局部应力集中现象，因而设计中只能通过加大板厚和提高此区域地基的承载力这一措施去改善。经过试算出，筏板基础厚度设计为1.8m，核心筒部位为2.2m，引发C5、C6 与C7、C8 交接部位为2.2m。转换柱下布置板下墩的厚为2.2m。因此以C6 栋核心筒为例来验算如下：
A、抗冲切验算：um=22.3m， 内筒最大荷载Nmax=36974kN，筏板最大荷载9.8578×105kN，筏板底面积2617.8m2，平均基底反力376.6kPa;冲切锥体底面积51.73m2，冲切力Fl=17495kN。F1/ umh0=454.8<0.7 hpft / =808.3，验算符合所需。
B、抗剪验算：筒外h0处边长29.2m，面积51.73m2，剪力Vs=599.13kN m<0.7 hp ftbwh0=1569，符合要求。其余结果显示，柱及剪力墙下筏板的冲切都符合要求，而筏板的配筋也在预算的合理范畴内。
从以上计算结果显示，筏板基底反力约400kPa，核心筒及C6、C7 交接位置基底反力约500kPa， C5 与C6、C7 与C8 交接部位基底反力约500kPa，故上述各部位设计要求筏板下地基经处理后承载力特征值分别为500，550，600kPa，转换柱下板跨要求为450kPa。筏板计算模型变形模量按30MPa 考虑，计算结果显示筏板上柱与剪力墙之间的不均匀沉降最大值小于0.0025 倍柱距，达到其基础设计方案要求。地基采用CFG 桩复合地基形式，桩径400，桩身为C25 素混凝土，根据地基承载力学来说，采用正方形或三角形布桩，分摊平衡力，桩距为1m，桩底进入强风化岩2～3m 或坐落于中微风化岩面。单桩承载力特征值根据地基承载力要求设计为320～410kN， 施工完成后为410～560kPa，这一系列数据显示，也考虑到地基深度从而去修正，也满足了设计的要求。
㈢天然基础+抗拔锚杆
由于塔楼范围外只建2 层地下室，地面以上又没有附属的裙楼，该部分柱承载少，可改用采用开挖方式，然后做垫层，放大脚，做地梁，角柱的天然基础。持力层为粉质粘土层，承载力特征值要求为200kPa。此外由于上部负荷较少，存在上浮力，故在天然基础内加设抗拔锚杆，单锚抗拔力设计值220kN，锚杆为150，嵌固层为中风化以上岩层，入岩长度为3m。计算结果显示天然基础沉降约32mm，小于0.005 倍柱距，也满足了基础设计的规范要求。
四、进行沉降处理及溶土洞处理
㈠在多种基础之间结构分缝处理
由于C5～C8 范围采用了冲孔灌注桩、筏板、天然基础三种不同的基础形式，通过物理学的力学以及物体的运动和热胀冷缩的因素，所以在它们之间要通过设沉降缝或后浇带来调整其沉降的因素。具体做法如下：筏板基础与桩基之间设沉降缝，宽150mm，位于沉降缝处的地下室外墙设后浇带(后浇带1)，待塔楼结构及隔墙砌筑完成15d 后可进行浇捣;筏板基础与天然基础之间设调节竖向沉降后浇带(后浇带3)，待塔楼结构及隔墙砌筑完成15d 后进行浇捣;桩基与天然基础之间设调节沉降后浇带(后浇带2)，待首层楼面结构完成15d 后进行浇捣。底板分缝如图2 所示。
由于底板设沉降缝及沉降后浇带，负1 层及首层结构也需要在相应部位设置沉降后浇带，除对应底板设沉降缝的部位改为设沉降后浇带外，其余对应部位均按底板相应位置设沉降后浇带。
㈡对于土洞溶洞处理
第一：源于此场地内覆盖砂层存在着大量的土洞，为保证CFG 桩成桩的质量，设计要在桩基施工前后进行对土洞的妥善处理。处理如下：施工前采用瓜米石、中粗砂、水泥对土洞进行灌填，保证成桩质量;施工后采用单管旋喷桩对已灌填土洞进行加固， 防止水位变化时使土洞性态也发生变化从而破坏其桩的承载力。
第二：由于场地内溶洞部分顶板较薄，防止复合地基在使用时会发生整体坍塌的问题，采用注浆方法对溶洞顶板厚度小于3m 的溶洞进行加固处理。根据现场注浆孔揭示的溶洞填充情况确定灌注材料和注浆次数。空隙、裂隙不良的地段，可采用填充，先灌注水泥砂浆，重复采用水泥浆二次注浆对其加固;对于不可充填或水泥砂浆不能注满的溶洞，先灌注中粗砂或碎石对溶蚀腔体进行充填，再灌注水泥砂浆，反复进行水泥浆三次注浆的加固。
此外，施工过程中应反复对基础沉降的观测，加强对CFG 桩和溶洞、土洞处理的检测，确保工程的质量。
五、方案的总结
综观上述，根据场地实际情况，此设计方案采用了冲孔灌注桩基础、筏板基础+CFG桩复合地基、天然基础。这三种基础是在原基础设计方案上进行优化，并采取物体的特征结合结构分缝的措施处理不同基础沉降的问题，做好沉降观测工作，确保建筑质量的安全。在复合地基设计中考虑到对土洞、溶洞的处理以保证CFG桩复合地基的安全可靠性。经过专家审核，此设计方案可行，这设计方案也符合生产安全、科学实践、经济合理的原则。
参考文献
[1] JGJ 79-2002 建筑地基处理技术规范[S]
[2] GB 50007-2002 建筑地基基础设计规范[S]